潛孔鉆在碳酸巖深地下水地區(qū)巖土施工勘察中的應用

槐以高，許漢華，劉文連，范乾良，肖經(jīng)光，龔憲偉，閆鼎熠

(中國有色金屬工業(yè)昆明勘察設計研究院有限公司，云南 昆明 650051)

潛孔鉆鉆進是一種以壓縮空氣為動力源，同時依靠壓縮空氣的高速氣流吹出巖粉、冷卻和潤滑鉆具的無巖心鉆進。潛孔鉆采用空氣正循環(huán)鉆進成孔，鉆進時壓縮空氣開始循環(huán)驅(qū)動潛孔錘工作, 對巖石實施沖擊回轉(zhuǎn)碎巖鉆進[1]。大直徑潛孔錘產(chǎn)生的巨大沖擊能量使巖石破碎充分, 鉆頭每顆球齒下的巖石產(chǎn)生體積破碎[2]，尾氣通過回氣管引入沖擊器中心通道從鉆頭底面排出, 攜帶巖屑沿著鉆具與孔壁環(huán)狀間隙上返，將巖屑沿沖擊器與鉆孔環(huán)狀間隙吹出孔口。

1 潛孔鉆鉆進判別地層特征

在碳酸巖深地下水地區(qū)巖土施工勘察現(xiàn)場工作中不難發(fā)現(xiàn)，潛孔鉆鉆進受其工作原理的制約有如下特征：在碳酸巖鉆進過程中，可以控制近勻速穩(wěn)定的進尺，鉆進聲音清脆顯得有力，巖粉源源不斷地吹出孔口；在鉆進過程中若遇到粘性土，由于粘性土含水，且具有塑性，壓縮空氣的高速氣流難以將其吹出，因此進尺比較艱難而且緩慢，鉆進聲音連續(xù)、沉悶且顯得無力；在鉆進過程中若遇到溶洞，鉆具會迅速下落，即俗稱的“掉鉆”。

以上3個特點恰好對應了碳酸巖深地下水地區(qū)地基的3種情況：可溶性碳酸巖系巖石；被粘性土充填的溶洞、裂隙或破碎帶；沒有被充填的溶洞或裂隙。

潛孔鉆在成孔過程中根據(jù)孔內(nèi)高壓氣體吹出的細粒狀粉狀物和通過鉆進速度、聲音等鉆進情況判別所鉆到地層的巖性、堅硬程度和完整程度。一般要求粘性土層不宜太厚、太軟，碎石類地層不宜呈松散狀態(tài)，地下水不宜太多，最好是位于地下水位以上。在成孔過程中根據(jù)成孔時高壓氣體吹出的巖粉性狀，如顏色、顆粒大小、含泥量、鉆進速度等，可以定性的判別所鉆地層的巖性、巖層的風化程度，根據(jù)鉆進速度和含泥量判別巖層的含泥情況，可間接判別巖體的完整性，噴出物與地層情況對照如表1所示。

充分了解和掌握這些特征后，在碳酸巖深地下水地區(qū)進行巖土施工勘察時，需查明碳酸巖深地下水地區(qū)地層受力范圍內(nèi)是否存在溶洞、裂隙或斷層破碎帶等，將潛孔鉆應用于碳酸巖深地下水地區(qū)巖土施工勘察中可以基本達到要求。

2 潛孔鉆與傳統(tǒng)鉆機比較鉆進優(yōu)勢

碳酸巖深地下水地區(qū)巖土施工勘察一般采用XY-100(150)型鉆機進行鉆探，由于XY-100(150)型鉆機一般情況是全斷面取芯，在較硬巖中鉆探時成孔效率低，又受場地條件、工期要求限制及存在交叉作業(yè)影響，施工勘察設備不能大量同時進入施工現(xiàn)場開展工作。施工效率低、工期不能滿足工程建設要求等制約間接增加了工程建設的成本。

表1 噴出物與地層情況對照表

與傳統(tǒng)XY-100(150)型鉆機鉆進效率低對比，潛孔鉆在鉆進破碎覆蓋層勘探孔施工中平均鉆進效率達到了46.85 m/h，是常規(guī)傳統(tǒng)鉆機鉆頭鉆進后采用錘擊法下入套管方法的93.7倍[3]。

XY-100(150)型鉆機鉆進巖石過程中為避免鉆頭過熱，鉆進過程中需要加入大量的潤滑液冷卻、潤滑鉆頭。由于碳酸巖深地下水地區(qū)地下水位埋深大、巖溶發(fā)育、溶蝕裂隙多等特征，勘探過程中往往潤滑液滲漏嚴重，大部分鉆孔鉆探過程中泥漿不會返回循環(huán)使用，采用泥漿護壁容易造成泥漿散失，需要大量的施工用水和泥粉，施工材料成本較高。且傳統(tǒng)鉆機鉆頭在提升與下放的過程中, 由于泥漿液對孔壁的沖刷及負壓導致孔壁塌方，而潛孔鉆由于采用干孔成孔工藝，避免了沖洗液對孔壁的沖蝕，減少了塌孔事故。

傳統(tǒng)XY-100(150)型鉆機鉆進巖石過程中如遇局部漂石時錘頭偏移，鉆孔垂直度將難以保證，通過添加碎石塊糾斜大大增加了輔助時間, 降低了鉆進效率；由于潛孔鉆鉆進工藝的“小壓力、慢轉(zhuǎn)速”和空氣正循環(huán)的“孔底加壓、懸垂鉆進”特點，使鉆孔的垂直度提高，鉆孔垂直偏差≤1%[3]。由于采用了新型旋翼式偏心跟管鉆頭，潛孔鉆高效碎巖的同時同步跟進套管，降低了勞動強度，減少了鉆具損壞的概率。

當然，潛孔鉆由于采用空氣正循環(huán)排渣，孔口排出粉塵量很大，將對當?shù)丨h(huán)境造成很大的污染。對降塵措施，根據(jù)多噴嘴引射器原理，利用壓縮空氣高速噴射在孔口部位形成真空負壓，抽吸孔口粉塵沿著一定管路排出并收集[4]。

3 結(jié) 語

本文探索了在碳酸巖地區(qū)地下水位埋深較大時，潛孔鉆在巖土施工勘察中的一種新思路，在保證勘探孔質(zhì)量達到技術要求的同時，極大地提高了巖土施工勘察的工作效率、節(jié)約了工期、減少了鉆具損耗、降低了勞動強度、有效地降低了施工勘察成本。潛孔鉆應用于潛孔鉆在碳酸巖深地下水地區(qū)巖土施工勘察中是一種操作簡單、施工方便、縮短工期、保證質(zhì)量、節(jié)省投資的好方法，具有極高的推廣價值，必將有廣闊的市場前景。

潛孔鉆應用于在碳酸巖深地下水地區(qū)巖土施工勘察是一種創(chuàng)新，其很多方面均具有很多值得進一步研究的必要。今后將更多在碳酸巖深地下水地區(qū)有條件的巖土施工勘察項目中推廣應用潛孔鉆，總結(jié)完善潛孔鉆運用經(jīng)驗，使各項工作更加條理化、標準化及程序化。